韓亮亮，楊 健，趙 穎，劉 玨，彭福軍

基于仿章魚軟體機(jī)器人空間碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的設(shè)想

韓亮亮，楊 健，趙 穎，劉 玨，彭福軍

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108）

針對(duì)空間碎片跨尺度、柔性、自適應(yīng)捕獲的需求，根據(jù)任務(wù)功能分析及仿生學(xué)啟示，提出了一種基于仿章魚充氣軟體機(jī)器人的碎片捕獲裝置，主要由仿章魚觸手和伸展臂組成，具備遠(yuǎn)距離可達(dá)、末端位姿調(diào)整、跨尺度碎片抓捕、目標(biāo)碎片的測(cè)量與識(shí)別等能力。捕獲裝置采用仿章魚單支鏈捕獲及多支鏈協(xié)同纏繞的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)跨尺度目標(biāo)的可靠、靈活捕獲。捕獲觸手采用充氣軟體機(jī)器人的機(jī)理實(shí)現(xiàn)對(duì)非結(jié)構(gòu)化碎片的可靠捕獲、相容，可實(shí)現(xiàn)捕獲過程中對(duì)碰撞沖擊的減緩和能量吸收。伸展臂采用充氣驅(qū)動(dòng)的方式展開，具有輕質(zhì)、大收縮比的特點(diǎn)。觸手表面還采用仿壁虎腳趾剛毛實(shí)現(xiàn)對(duì)碎片的可靠粘附，進(jìn)一步確保抓取的可靠性。最后通過任務(wù)仿真驗(yàn)證了碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的可行性和先進(jìn)性。

柔性；捕獲裝置；碎片移除；仿章魚；軟體機(jī)器人

1 引言

隨著人類航天活動(dòng)日益頻繁，日益增長(zhǎng)的空間碎片已成為在軌航天器的頭號(hào)威脅，其危害性已得到世界各國的重視，碎片主動(dòng)清除技術(shù)在國外不斷發(fā)展，并向工程化邁進(jìn)［1］。典型的碎片捕獲移除任務(wù)如歐空局的ROGER計(jì)劃（Robotic Geostationary Orbit Restorer）［2］、德宇航的TECSAS計(jì)劃［3］、日本碎片移除計(jì)劃均提出了一些主動(dòng)空間碎片清除概念［4］，包括空間機(jī)械臂、電動(dòng)力纜繩、飛網(wǎng)、飛爪等手段。目前提出的基于軟體材料的軟體機(jī)器人等新手段也可考慮用于空間碎片的捕獲［5?6］。對(duì)比剛性機(jī)械臂、飛網(wǎng)及飛爪，軟體捕獲裝置具有輕質(zhì)、收藏比大、可重復(fù)使用、成本低的優(yōu)點(diǎn)；與硬質(zhì)材料構(gòu)成的捕獲裝置相比，軟體結(jié)構(gòu)對(duì)壓力有很小的阻抗，可以通過柔順變形的方式與障礙物相容，適合在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下使用；相對(duì)剛性捕獲，軟體捕獲裝置捕獲時(shí)來自環(huán)境的反作用力大范圍分布于軟體組織表面，能夠減小沖擊、吸收能量，適合存在碰撞的捕獲場(chǎng)合。

因此，本文提出一種仿軟體動(dòng)物的碎片捕獲裝置，論證捕獲裝置主要機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案，并開展典型任務(wù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 柔性自適應(yīng)捕獲裝置的系統(tǒng)方案

根據(jù)跨尺度目標(biāo)柔性自適應(yīng)捕獲的任務(wù)和功能需求，基于仿章魚軟體機(jī)器人的空間碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置總體方案設(shè)計(jì)如下：

1）章魚單支鏈及多支鏈捕獲方式實(shí)現(xiàn)跨尺度目標(biāo)的捕獲：從仿生學(xué)角度出發(fā)，末端抓捕載荷借鑒生物界中八爪章魚的操作模式，如圖1所示，其由多個(gè)觸手組成，可實(shí)現(xiàn)以單支鏈捕獲小尺度碎片目標(biāo)、多支鏈協(xié)同纏繞的方式抓取捕獲大尺度的碎片目標(biāo)，通過單支鏈自由度冗余及多支鏈互相冗余的方式在系統(tǒng)層面保證了捕獲裝置具有較高的容錯(cuò)性和安全性，同時(shí)也提高了捕獲裝置操作的靈活性。

2）軟體仿生機(jī)理實(shí)現(xiàn)對(duì)碎片的可靠捕獲、相容，實(shí)現(xiàn)捕獲碰撞沖擊的減緩和能量吸收：借鑒自然界中軟體動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理設(shè)計(jì)捕獲裝置的觸手，與硬質(zhì)材料構(gòu)成的捕獲裝置相比，軟體結(jié)構(gòu)對(duì)壓力有很小的阻抗，可以通過柔順變形的方式與障礙物相容，適合在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下使用；同時(shí)，捕獲時(shí)來自環(huán)境的反作用力大范圍分布于軟體組織表面，又能夠減小沖擊、吸收能量，適合存在碰撞、接觸的動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕獲場(chǎng)合。

3）充氣展開方式實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、大收縮比伸展臂：捕獲裝置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的伸展與收攏，且伸展距離可控，通過其可控的多個(gè)自由度可將末端捕獲裝置與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)位姿調(diào)整接近。其伸展機(jī)構(gòu)采用充氣展開的方式，具有柔性、輕質(zhì)、收藏比大的優(yōu)勢(shì)。

4）利用仿生粘附手段實(shí)現(xiàn)對(duì)碎片的可靠粘附：從仿生學(xué)角度出發(fā)，借鑒壁虎腳趾剛毛和絨毛陣列與接觸表面接觸產(chǎn)生范德華力形成超級(jí)粘附力的方法，可在軟體觸手表面布置仿壁虎微納米剛毛陣列，實(shí)現(xiàn)軟體觸手對(duì)碎片的粘附，進(jìn)一步確保抓取的可靠性。

根據(jù)上述仿生啟示，本文提出的用以應(yīng)對(duì)低成本低軌碎片柔性自適應(yīng)捕獲要求的捕獲裝置，主要包括：對(duì)不同尺度碎片捕獲的軟體捕獲觸手、釋放和收攏其末端的軟體捕獲觸手的充氣伸展臂、對(duì)充氣伸展臂的位置進(jìn)行調(diào)整的位置微調(diào)裝置、用于對(duì)旋轉(zhuǎn)目標(biāo)主動(dòng)消旋的氣動(dòng)消旋裝置、用于對(duì)目標(biāo)碎片的測(cè)量與識(shí)別的目標(biāo)識(shí)別裝置、氣源及驅(qū)動(dòng)器等組成，如圖2所示。

3 軟體觸手的設(shè)計(jì)及參數(shù)化

軟體觸手是捕獲裝置隨形捕獲的關(guān)鍵組成部分，對(duì)于外形包絡(luò)約1 m的碎片目標(biāo)，軟體觸手的設(shè)計(jì)如圖3所示，軟體觸手由4個(gè)軟體觸手及彈性接觸墊組成。為了增強(qiáng)觸手捕獲的靈活性和可靠性，每個(gè)觸手由兩段組成，每段可獨(dú)立控制。

目前軟體機(jī)器人常用的充氣驅(qū)動(dòng)裝置包括氣動(dòng)網(wǎng)格驅(qū)動(dòng)器、纖維加固驅(qū)動(dòng)器、充氣人工肌肉、多模態(tài)變剛度驅(qū)動(dòng)器等［7?8］。本文中仿生軟體觸手采用氣動(dòng)網(wǎng)格驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)方式，具有結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一體化的特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)采用具有不同伸展性的雙層材料層疊而成，驅(qū)動(dòng)層采用可延展性高的材料，應(yīng)變限制層采用可伸展性差的材料。應(yīng)變限制層上布置黏附層，以增強(qiáng)接觸后的摩擦力和連接力。當(dāng)外部加壓時(shí)，由于延展性不同，驅(qū)動(dòng)層產(chǎn)生的形變遠(yuǎn)大于應(yīng)變限制層，宏觀上導(dǎo)致材料向應(yīng)變限制層一側(cè)彎曲運(yùn)動(dòng)。各個(gè)氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)裝置相互獨(dú)立，驅(qū)動(dòng)層與應(yīng)變限制層中間有間隔分布的連通空腔，通過調(diào)整空腔的方向、大小、數(shù)量來調(diào)整氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)裝置的運(yùn)動(dòng)。按照運(yùn)動(dòng)形態(tài)需求，按一定時(shí)序控制不同氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)裝置的加壓時(shí)間、壓力大小，即可控制整個(gè)捕獲裝置的運(yùn)動(dòng)。

軟體捕獲裝置理論上具有無限多自由度，并且驅(qū)動(dòng)器數(shù)目有限，屬于欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其自由度與驅(qū)動(dòng)器并非一對(duì)一的關(guān)系；而且在捕獲過程中因接觸發(fā)生的分布式負(fù)載或局部變形時(shí)，捕獲裝置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生適應(yīng)性變化；因此在理論上較難直接獲得觸手充氣驅(qū)動(dòng)參數(shù)與觸手運(yùn)動(dòng)末端位置的數(shù)學(xué)關(guān)系，本文主要通過仿真和試驗(yàn)辨識(shí)得到其數(shù)學(xué)關(guān)系。

在Abaqus軟件中，開展參數(shù)化分析，軟體觸手的模型和主要參數(shù)如圖4所示，其中L為網(wǎng)格長(zhǎng)度，t為網(wǎng)格壁厚，W為網(wǎng)格寬度，b為網(wǎng)格高度。建立的軟體觸手的虛擬樣機(jī)如圖5所示。由圖6～9的仿真結(jié)果可見，軟體觸手的彎曲能力隨著壓強(qiáng)的增加而增加、隨著網(wǎng)格高度b的增加而增加、隨著壁厚t的增加而減小、隨著網(wǎng)格寬度W的增加而增加。

4 典型捕獲任務(wù)仿真

本文以捕獲移除失效的衛(wèi)星作為典型任務(wù)，以球形衛(wèi)星或立方體衛(wèi)星作為典型目標(biāo)。在仿真系統(tǒng)平臺(tái)上，通過對(duì)典型捕獲任務(wù)的仿真，完成對(duì)捕獲裝置的功能和性能的驗(yàn)證和演示。

通過圖10和11的仿真結(jié)果，可見捕獲裝置充氣后，各個(gè)軟體觸手運(yùn)動(dòng)并接近球形衛(wèi)星或立方體衛(wèi)星直至發(fā)生接觸，接觸后發(fā)生隨形作用，持續(xù)充氣軟體觸手可適應(yīng)目標(biāo)的形狀，并與目標(biāo)形成大面積貼合的可靠連接?？梢姡东@裝置可通過充氣纏繞、收攏、包容的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)碎片目標(biāo)的捕獲，軟體機(jī)理用于捕獲碎片具有一定的可行性。

5 結(jié)論

本文提出了仿章魚軟體觸手碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的方案，對(duì)軟體觸手開展了方案設(shè)計(jì)和參數(shù)化分析，對(duì)捕獲裝置開展了典型任務(wù)的仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明提出的方案具有一定的可行性。仿章魚軟體觸手碎片柔性自適應(yīng)捕獲裝置的方案是國內(nèi)外首次提出的軟體捕獲碎片的創(chuàng)新方案，在后續(xù)的研究中，將對(duì)捕獲裝置的功能和性能開展更充分的驗(yàn)證，在捕獲裝置的穩(wěn)定性、可靠性等方面開展更深入的研究，充分考慮實(shí)際工程中存在的約束，推進(jìn)方案的工程化。

（References）

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（責(zé)任編輯：康金蘭）

Assumption on Flexible Adaptive Orbital Debris Capture Device Based on Octopus?inspired Pneumatic Soft Robot

HAN Liangliang，YANG Jian，ZHAO Ying，LIU Yu，PENG Fujun
（Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai 201108，China）

To capture the space debris of different scales flexibly and adaptively，a capture device based on octopus?inspired pneumatic soft robot was proposed according to the task function analysis and bionic revelation．The device was mainly composed of the octopus?inspired tentacles and the de?ployable arm．The device was capable of distant reaching，end position and pose adjusting，debris capturing and target recognition and measurement．The device could capture orbital debris reliably and nimbly with single tentacle bending or multi?tentacle twining．The tentacle was based on the mechanism of pneumatic soft robot and was compatible and adaptive to the irregularly shaped debris and could absorb the energy during the contact and impact．The deployable arm was driven by the pneumatic actuation，so it was of light weight and high shrink ratio．Gecko?inspired biomimetic nano?sacle adhesive arrays were also used on the surface of the tentacle to ensure reliable grasping．In addition，task simulations were carried out to validate its feasibility．

flexible；capture device；debris removal；octopus inspired；soft robot

V57

A

1674?5825（2017）04?0469?04

2017?03?09；

2017?07?05

載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目（030401）

韓亮亮，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榭臻g機(jī)器人。E?mail：hllrob＠163．com